第 25 课 · 态制备、层析与 QRAM——量子数据的进与出 · 模块四:应用与前沿专题

合流:用 QRAM 做振幅编码

  • 命题框(三步流程):① 均匀叠加 + 查询:QRAM 在地址 $j$ 存数对 $(c_j, s_j)$($c_j^2 + s_j^2 = 1$、$s_j = \gamma\cdot v_j$,$\gamma \le 1/\max_j|v_j|$——避免量子侧算 arcsin)→ $(1/\sqrt{N})\cdot\sum_j|j\rangle|c_j\rangle|s_j\rangle$;② 值寄存器控制旋转 $|0\rangle \to c_j|0\rangle + s_j|1\rangle$;③ 后选择辅助比特 = $|1\rangle$,成功时地址坍缩为 $\sum_j v_j|j\rangle/\lVert v\rVert$
  • 推导:成功概率 $q = (1/N)\cdot\sum_j s_j^2 = \gamma^2\cdot\lVert v\rVert^2/N$;幅度放大 $O(1/\sqrt{q})$ 轮 → 总查询 $O(\sqrt{N}/(\gamma\cdot\lVert v\rVert))$,每轮深度 $O(\log N)$
  • 演算($N = 4$,$v = (1, 1, 1, 1)$,$\lVert v\rVert = 2$,$\gamma = 1/2$):
    1. $s_j = \gamma\cdot v_j = 1/2$;$c_j = \sqrt{1 - 1/4} = \sqrt{3}/2 \approx 0.866$
    2. $q = \gamma^2\cdot\lVert v\rVert^2/N = (1/4)\times4/4 = 1/4$
    3. 放大轮数 $O(1/\sqrt{q}) = O(2)$;成功时地址 $= (1/2)\cdot\sum_j|j\rangle = v/\lVert v\rVert$ ✓
  • 对比卡:纯电路 $O(N)$ 门一次性 vs QRAM $O(N)$ 硬件 + 每次查询 $O(\log N)$——开销从时间挪到空间;CVO-QRAM 只存非零标志位、$O(sn)$ 门(2024 年 GPU 模拟 28 比特强关联化学)
  • 区别卡:酉嵌入可重复调用 vs 制备一次性后选择;值编码可继续处理 vs 振幅读出需 $\Omega(N)$ 副本(Holevo 界);基础设施 vs 应用层
  • 结果框:QRAM(可重复的酉嵌入)与态制备(一次性输出态)是两层拼图——振幅编码恰好架在两者之间
类型worked-example(三步流程公式 + 全程演算)